Metasurfaces är optiskt tunna metamaterial som kan styra ljusets vågfront helt, även om de främst används för att styra ljusfasen. I en ny rapport, Adam C. Overvig och kollegor vid institutionerna för tillämpad fysik och tillämpad matematik vid Columbia University och Center for Functional Nanomaterials vid Brookhaven National Laboratory i New York, USA, presenterade ett nytt studiemetod, nu publicerad den Ljus:Vetenskap och applikationer . Det enkla konceptet använde meta-atomer med varierande grad av dubbelbrytning och rotationsvinklar för att skapa högeffektiva dielektriska metasytor med förmåga att styra optisk amplitud (maximal vibration) och fas vid en eller två frekvenser. Arbetet öppnade applikationer inom datorgenererad holografi för att troget återge fasen och amplituden för en målholografisk scen utan att använda iterativa algoritmer som vanligtvis krävs under fas-endast holografi.

Teamet demonstrerade all-dielektriska metasurthologram med oberoende och fullständig kontroll av amplituden och fasen. De använde två samtidiga optiska frekvenser för att generera tvådimensionella (2-D) och 3-D-hologram i studien. Fasamplitudmetasytorna tillät ytterligare funktioner som inte kunde uppnås med endast fas-holografi. Funktionerna inkluderade artefaktfria 2-D-hologram, möjligheten att koda separata fas- och amplitudprofiler vid objektplanet och koda intensitetsprofiler vid metaytan och objektplanen separat. Med hjälp av metoden, forskarna kontrollerade också ytstrukturerna för 3D-holografiska föremål.

Ljusvågor har fyra nyckelegenskaper inklusive amplitud, fas, polarisering och optisk impedans. Materialforskare använder metamaterial eller "metasurfaces" för att ställa in dessa egenskaper vid specifika frekvenser med subvåglängd, optisk upplösning. Forskare kan också konstruera enskilda strukturer eller "meta-atomer" för att underlätta en mängd olika optiska funktioner. Enhetsfunktionaliteten är för närvarande begränsad av möjligheten att styra och integrera alla fyra ljusegenskaper oberoende i labbet. Bakslag inkluderar utmaningar med att utveckla individuella metatomer med varierande svar vid en önskad frekvens med ett enda tillverkningsprotokoll. Forskningsstudier använde tidigare metalliska spridare på grund av deras starka ljus-material-interaktioner för att eliminera inneboende optiska förluster i förhållande till metaller samtidigt som de använde förlustfria dielektriska plattformar för högeffektiv fasstyrning-den enskilt viktigaste egenskapen för vågfrontkontroll. Ytterligare nya ansträngningar har försökt att samtidigt styra mer än en parameter i taget och bilda akromatiska metasytor, dispersionsutvecklade enheter och flerfärgade hologram.

I det nuvarande arbetet, Overvig et al. presenterade en metasurface -plattform med godtycklig och samtidig kontroll av amplituden och fasen med hjälp av telekommunikationsfrekvenser inom en överföringstypsenhet. De kontrollerade amplituden genom att variera omvandlingseffektiviteten för cirkulärt polariserat ljus med enhand till den motsatta handenheten (vänster till höger) med hjälp av strukturellt dubbelbrytande (en ljusstråle som infaller på ett material är uppdelad i två som vanliga och extraordinära strålar) meta- atomer, medan fasen styrs via in-planet-orientering av meta-atomerna. Tillvägagångssättet generaliserade en välstuderad meta-ytplattform som använde fasen "geometrisk" eller "Pancharatnam-Berry" för samtidig kontroll av amplitud och fas.

Metoden skulle lätt kunna generaliseras till synliga frekvenser inom CMOS -kompatibla dielektriska metasytor. För att visa fördelarna med experimentet, de jämförde datorgenererade hologram med fas-och-amplitud (PA) metasytor och hologram genererade med fas-endast (PO) metasurfaser för att visa att endast PA-konstruktionerna kunde skapa artefaktfria holografiska bilder. Overvig et al. implementerade PA-holografi för att konstruera metasurthologram med hög trovärdighet för att bilda konstnärligt och komplext, tredimensionella (3-D) holografiska föremål. De skapade och optimerade metasytor med två frihetsgrader per pixel för att styra amplituden och fasen på objektplanet. Forskargruppen utvidgade det enkla schemat till att omfatta konstruktion av dispersion av metatomer och samtidigt kontrollera fasen och amplituden för tvåfärgade hologram.

Forskare har länge använt den geometriska fasmetoden för att variera ljusfasen i en process som tekniskt kan implementeras genom att helt enkelt ändra orienteringen av ett dubbelbrytande material. I det här arbetet, laget varierade experimentellt graden av dubbelbrytning från vänster cirkulärt polariserat ljus (LCP) till höger cirkulärt polariserat (RCP) ljus för att oberoende styra den optiska amplituden och fasen. De skapade också ett meta-atombibliotek och visualiserade åtgärden det utförde med hjälp av banor längs en Poincaré-sfär. Som en proof-of-concept-implementering, forskarna valde en driftvåglängd på 1,55 µm och konstruerade en CMOS-kompatibel plattform av amorfa kiselmetasytor (α-Si) på smält kiseldioxidunderlag. De modellerade sedan målmeta-atombiblioteket med hjälp av begränsade tidsdomsimuleringar och visade numeriskt godtycklig kontroll av amplituden och fasen.

För fullständig experimentell kontroll av amplituden och fasen, Overvig et al. implementerade datorgenererade hologram (CGH). Den första CGH genererade en tvådimensionell (2-D) holografisk bild med PA-holografi med förbättrad bildtrohet jämfört med de versioner som bildats med PO-holografi. I den andra CGH skapade de en enkel, 3D-holografisk bild som innehåller en samling punkter för att visa beroende av 3D-holografi på fokalplanet och observationsvinkeln. Den tredje CGH demonstrerade den trogna rekonstruktionen av ett komplext 3D-holografiskt objekt i form av en ko-detta indikerade förmågan att konstruera konstnärligt intressanta och komplexa scener. Teamet simulerade grova eller släta ytstrukturer med hjälp av en slumpmässig eller enhetlig fördelning av spridd fas på ytan av en ko. Den fjärde versionen visade förmåga att separat koda fasen och amplituden vid objektplanet för att rekonstruera ett Yin-Yang-tecken, medan den femte CGH kodade för en holografisk bild med fasfördelningen av ett gråskalahologram av Columbia -kronan, det officiella emblemet för Columbia Engineering, Columbia University.

Under rekonstruktionen av Columbia Engineering-logotypen för att generera en 2-D CGH, laget diskretiserade en målbild till dipolkällor med amplituder på en (område inuti logotypen) och noll (bakgrunden) och en enhetlig fas. De registrerade störningen av dessa dipolkällor från målbilden till ett specifikt avstånd (750 μm), vilket motsvarade platsen för metasytan för att rekonstruera målbilden. Vid rekonstruktion av det andra PO -hologramet i Columbia -kronan, Overvig et al. använde en alternativ metod känd som Gerchberg-Saxton (GS) -algoritmen för att generera önskad intensitetsfördelning av målbilden. De krävde inte liknande iterationer med PA -holografi, vilket gjorde det möjligt för dem att troget återge både fas och amplitud för det önskade hologrammet. Forskarna rekonstruerade varje holografisk bild med hjälp av numeriska simuleringar och experiment och observerade förbättrad bildkvalitet i PA -hologrammet jämfört med PO- eller GS -hologram.

PA -holografi tillät också forskarna att styra amplitudprofilerna för två separata plan snarare än amplituden och fasen på ett enda plan. De tog fram holografiska bilder och visade god överensstämmelse mellan experimentella rekonstruktioner och simuleringar. Forskarna utökade det enkla tillvägagångssättet för att styra fasen och amplituden oberoende vid två separata våglängder. Där de samtidigt kontrollerade fyra vågfrontsparametrar vid varje meta-atom, som experimentellt krävde mer än två frihetsgrader. Teamet utökade tidigare ansträngningar för att inkludera dubbelbrytning under meta-atomdesign för att expansivt styra fasresponsen för de vanliga och extraordinära polariseringarna (dubbelbrytning) av de två våglängderna.

Efter att de använt skanningselektronmikrografier för att observera de tillverkade enheterna, de förvärvade experimentella rekonstruktioner i två färger genom att rikta in LCP-excitation vid en våglängd på 1,65 µm (röd kanal) och en RCP-excitation vid en våglängd på 0,94 µm (blå kanal). Antalet metatomer som krävde simulering ungefär 60, 000 i studien, vilket representerade en skrämmande beräkningsuppgift för noggrannhet som är högre än den som för närvarande uppnås. Overvig et al. begränsade därför studien till den nuvarande ofullkomliga men beräkningsmässigt hanterbara lösningen.

På det här sättet, Adam C. Overvig och ett tvärvetenskapligt forskargrupp demonstrerade metasurthologram med hjälp av dielektriska metasytor med låg förlust. De drev konstruktionerna i överföringsläge med komplett och oberoende fas- och amplitudkontroll vid en och två våglängder, med hjälp av en enkel men kraftfull designprincip för att öppna en grad av kontroll över optiska våglängder som är användbara för många applikationer. Arbetet erbjuder en robust och allmänt tillämplig metod för att manipulera en optisk vågfront efter behag och därigenom förverkliga det primära löfte om metasytor.

© 2019 Science X Network